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KR101574300B1 - 벅 컨버터 - Google Patents

벅 컨버터 Download PDF

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KR101574300B1
KR101574300B1 KR1020140178760A KR20140178760A KR101574300B1 KR 101574300 B1 KR101574300 B1 KR 101574300B1 KR 1020140178760 A KR1020140178760 A KR 1020140178760A KR 20140178760 A KR20140178760 A KR 20140178760A KR 101574300 B1 KR101574300 B1 KR 101574300B1
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current
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voltage
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KR1020140178760A
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Inventor
변상진
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동국대학교 산학협력단
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    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of DC power input into DC power output
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Abstract

본 발명은 전력 소모 측면에서 효율적인 벅 컨버터를 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위칭부에 미리 설정된 기준 값 이상의 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 스위칭부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기를 포함하되, 전류 검출기는 폐회로 루프를 사용하지 않고 스위칭부에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.

Description

벅 컨버터{BUCK CONVERTER}
본 발명은 벅 컨버터에 관한 것으로서, 구체적으로는 높은 입력전압을 원하는 낮은 출력전압으로 변환하는 전압 변환 장치인 벅 컨버터에 관한 것이다.
최근 벅 컨버터는 시스템의 소모 전력 효율을 높이기 위하여 DSP(Digital Signal Processor)와 같은 디지털 시스템뿐만 아니라 ADC(Analog to Digital Converter), DAC(Digital to Analog Converter) 및 유무선 통신 시스템 등과 같은 아날로그 회로와 디지털 회로가 함께 있는 혼성 모드 시스템에도 사용되고 있다. 최근에 전자 장치가 소형화되고 배터리를 사용하는 휴대용 전자 장치가 많아짐에 따라 전력 소모의 절약은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 제2001-0049751호(2001.06.15 공개, 버크 컨버터)에 개시되어 있다.
본 발명은 전력 소모 측면에서 효율적인 전류 검출기를 포함하는 벅 컨버터를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스위칭부에 미리 설정된 기준 값 이상의 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 스위칭부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기를 포함하되, 전류 검출기는 폐회로 루프를 사용하지 않고 스위칭부에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 여기서, 전류 검출기는 스위치 트랜지스터에 흐르는 전류를 복사하기 위한 검출 트랜지스터, 스위치 트랜지스터의 드레인과 소스가 연결되는 스위치 연결 트랜지스터, 스위치 연결 트랜지스터의 게이트와 게이트가 연결되고 검출 트랜지스터의 드레인과 소스가 연결되는 검출 연결 트랜지스터, 스위치 연결 트랜지스터에 전류를 공급하는 전류 소스 및 검출 연결 트랜지스터의 드레인과 일단이 연결되고 타단이 그라운드 전압과 연결되는 검출 출력 저항을 포함할 수 있다.
본 발명은 전류를 검출하기 위하여 폐회로 루프를 사용하지 않으므로 전류 소모가 많은 연산 증폭기가 필요 없고 구조가 간단한 전류 검출기를 포함하는 전력 소모 측면에서 보다 효율적인 벅 컨버터를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 주요 부분의 신호파형이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 검출기를 설명하기 위한 간단한 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 검출기의 회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 회로 시뮬레이션 신호파형이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 벅 컨버터는 에러 증폭기(100), 발진기(200), 비교기(300), PWM 조정기(400), 데드타임 버퍼(500), 스위칭부(600), 인덕터(710), 커패시터 (720) 및 전류 검출기(800)를 포함한다.
에러 증폭기(100)는 미리 설정된 기준전압(VREF)과 출력전압(VOUT)의 차이 값을 증폭하여 출력신호를 생성한다.
발진기(200)는 램프신호(VRAMP)와 램프신호(VRAMP)에 동기된 클럭신호(VCLK)를 출력한다.
비교기(300)는 에러 증폭기(100)의 출력신호와 발진기(200)로부터 출력된 램프신호(VRAMP)를 비교하고, 그 비교 결과를 하이(high)신호 또는 로우(low)신호의 디지털 값으로 출력한다.
PWM 조정기(400)는 발진기(200)로부터 출력된 클럭신호(VCLK)와 비교기(300)의 출력신호를 입력 받아서 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생한다. 여기서, PWM 신호(VPWM)는 다양한 방법으로 생성될 수 있다. PWM 신호는 예를 들어, PWM 신호의 라이징 엣지(rising edge)는 발진기(200)의 클럭신호에 의하여 트리거(trigger)되고, PWM 신호의 폴링 엣지(falling edge)는 비교기(300)의 출력신호에 의하여 트리거 되도록 생성될 수 있다.
PWM 조정기(400)는 스위칭부(600)를 통하여 인덕터(710)로 전류를 공급하는 시간을 결정하는 PWM 신호를 발생한다. PWM 조정기(400)는 예를 들어, PWM 신호가 하이 신호일 때에는 PMOS 파워트랜지스터(610)를 통하여 인덕터(710)에 전류를 공급한다. PWM 조정기(400)는 예를 들어, PWM 신호가 로우 신호일 때에는 NMOS 파워트랜지스터(620)를 통하여 인덕터(710)에 전류를 공급한다. 즉, PWM 조정기(400)는 하이 신호 및 로우 신호의 출력을 통하여 출력전압(VOUT) 대 입력전압(VIN)의 듀티 비(Duty Ratio)를 조절할 수 있다. 여기서, PWM 신호가 하이 신호인 시간을 TON 이라고 하고, PWM 신호가 로우 신호인 시간을 TOFF 라고 하면, 벅 컨버터의 출력전압 대 입력전압의 듀티 비(Duty Ratio)는 아래 식과 같은 관계를 갖는다.
VOUT / VIN = TON /(TON + TOFF) (식 1)
데드타임 버퍼(500)는 PWM 신호를 입력 받고 스위칭부(600)를 구동하는 구동신호를 생성한다. 여기서, 구동신호는 PWM 신호가 하이 신호인 경우 NMOS 파워트랜지스터(620)를 끈 뒤 PMOS 파워트랜지스터(610)를 켜고, PWM 신호가 로우 신호인 경우 PMOS 파워트랜지스터(610)를 끈 뒤 NMOS 파워트랜지스터(620)를 켠다.
스위칭부(600)는 데드타임 버퍼(500)에서 생성된 구동신호에 따라 입력전압에 의해 출력전압(VOUT)이 생성되도록 인덕터(710)에 전류를 공급하는 스위치를 제어한다. 스위칭부(600)는 적어도 하나의 스위치 트랜지스터를 포함한다. 스위칭부(600)는 스위치 트랜지스터로, 예를 들어 PMOS 파워 트랜지스터(610)와 NMOS 파워 트랜지스터(620)를 포함할 수 있다. 스위칭부(600)는 예를 들면, PWM 신호가 하이 신호인 경우, 구동신호에 의해 PMOS 파워 트랜지스터(610)를 온(on)시키고, NMOS 파워 트랜지스터(620)를 오프(off)할 수 있다. 또한, 스위칭부(600)는 예를 들면, PWM 신호가 로우 신호인 경우, PMOS 파워 트랜지스터(610)를 오프(off) 시키고, NMOS 파워 트랜지스터(620)를 온(on) 시킬 수 있다.
전류 검출기(800)는 스위칭부(600)에 미리 설정된 기준 값 이상의 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 스위칭부(600)의 전류를 검출한다. 전류 검출기(600)는 예를 들면, 스위치 트랜지스터(610)에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 스위치 트랜지스터(610)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
또한, 전류 검출기(800)는 스위칭부(600)에 미리 설정된 기준 값 이상의 과도한전류가 검출되는 경우 스위칭부(600)에 흐르는 전류를 차단하기 위하여 PWM 조정기(400)로 제어신호를 전송할 수 있다. 여기서, PWM 조정기(400)는 제어신호가 입력되는 경우 PWM 신호로 로우 신호를 출력할 수 있다.
따라서, 벅 컨버터의 전력 효율을 높이기 위해서는 전류 검출기(800)가 소모하는 전류를 줄이는 것이 중요하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 주요 부분의 신호파형이다.
도 2를 참조하면, 인덕터 전류는 전류 검출기(800)에 의해 미리 설정된 기준 값 이하를 유지한다. 도 2의 신호파형을 더욱 상세히 설명하면, 상단의 인덕터 전류는 대략 50mA 이내로 제한되는 것을 볼 수 있으며, 하단의 출력 전압 (VOUT) 은 오버슈트 (overshoot) 가 비교적 작은 것을 볼 수 있다. 따라서, 전류 검출기(800)는 스위치 트랜지스터(610)에 과도한 전류가 흘러서 회로가 손상되는 것을 막는 중요한 기능을 한다.
인덕터 전류는 PWM 신호가 하이 신호인 경우, PMOS 파워 트랜지스터 (610)에서 공급되고 점차로 증가한다. 반대로, 인덕터 전류는 PWM 신호가 로우 신호인 경우, NMOS 파워 트랜지스터 (620) 에서 공급되고 점차로 감소한다. 따라서 인덕터 전류의 최대 값을 제한하기 위해서는 PMOS 파워 트랜지스터 (610)의 전류를 검출한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 검출기를 설명하기 위한 간단한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 전류 검출기(800)는 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류 (IPMOS) 를 N : 1 의 비율로 복사하는 검출 트랜지스터(802)을 포함한다.
검출 트랜지스터(802)은 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류를 N : 1 의 비율로 복사할 수 있다. 이는 검출 트랜지스터(802)의 채널 폭 (channel width) 및 채널 길이(channel length) 중 적어도 하나를 조절하여 비율을 맞출 수 있다. 검출 트랜지스터(802)가 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류를 N : 1 의 비율로 정확하게 복사하기 위하여 다음과 같은 조건들을 만족해야 한다. 첫째, 검출 트랜지스터(802)의 채널 폭은 PMOS 파워 트랜지스터(610)의 채널 폭의 1/N 이어야 하고, 검출 트랜지스터(802)의 채널 길이는 PMOS 파워 트랜지스터 (610)의 채널 길이와 같아야 한다. 둘째, 검출 트랜지스터(802)와 PMOS 파워 트랜지스터 (610)의 모든 게이트(gate), 드레인(drain) 및 소스(source) 전압들이 서로 같아야 한다. 도 3에서 검출 트랜지스터(802) 와 PMOS 파워 트랜지스터 (610) 의 소스는 모두 전원 전압(VIN)에 연결되어 있고, 게이트는 서로 동일한 전압 (VP)에 연결되어 있으므로, 드레인 전압들 (VX 및 VY) 이 서로 같으면 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 검출기의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 전류 검출기(800)는 검출 트랜지스터(802), 검출 연결 트랜지스터(812), 검출 출력 저항(818), 스위치 연결 트랜지스터(822), 전류 소스(820)를 포함한다. 전류 검출기(800)는 PMOS 파워트랜지스터(610)에 전류가 흐르지 않는 경우, 전류 검출기(800)의 전력을 차단하는 적어도 하나의 전력 차단 트랜지스터(804, 814, 824)를 더 포함할 수 있다.
검출 트랜지스터(802)는 스위칭부(600)의 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류를 복사한다. 검출 트랜지스터(802)는 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류의 N(여기서, N은 양의 정수) : 1 의 비율로 복사할 수 있다. 본 발명에 따른 전류 검출기(800)는 검출 트랜지스터(802)의 드레인 전압 (VY)와 PMOS 파워 트랜지스터(610)의 드레인 전압 (VX) 을 서로 같게 하기 위하여, 복잡한 폐 회로 루프 (closed loop)를 사용하지 않는다. 여기서, 검출 트랜지스터(802) 의 드레인 전압 (VY) 은 아래 식 2와 같이 후술할 검출 연결 트랜지스터(812)의 게이트 전압(VZ)과 게이트 소스 전압(VGS812)의 합과 같다.
VY = VZ + VGS812 (식 2)
검출 연결 트랜지스터(812)는 소스가 검출 트랜지스터(802)의 드레인에 연결된다. 또한, 검출 연결 트랜지스터(812)는 게이트가 후술할 스위치 연결 트랜지스터(822)의 게이트와 연결되며, 스위치 연결 트랜지스터(822)와 채널 폭과 채널 길이가 동일하다.
검출 출력 저항(818)는 그 일단이 검출 연결 트랜지스터(812)의 드레인과 연결되고 타단이 그라운드(ground) 전압과 연결된다.
스위치 연결 트랜지스터(822)는 그 소스가 스위칭부(600)의 PMOS 파워 트랜지스터(610)의 드레인과 연결되고, 그 게이트가 검출 연결 트랜지스터(812)의 게이트와 연결된다. 여기서, 스위치 연결 트랜지스터 (822) 의 게이트 전압 (VZ) 은 아래 식 3과 같이 소스전압(VX)에서 소스 게이트 전압(VGS822)을 차감한 값이다.
VZ = VX - VGS822 (식 3)
전류 소스(820)는 스위치 연결 트랜지스터(822)에 전류를 공급하여 게이트 소스 전압(VGS822)을 발생시킨다.
상술한 식 2 및 식 3 로부터, 검출 연결 트랜지스터(812)의 소스 게이트 전압(VGS812)과 스위치 연결 트랜지스터(822)의 소스 게이트 전압(VGS822)이 서로 같을 경우 검출 트랜지스터(802)의 드레인 전압 (VY)과 PMOS 파워 트랜지스터(610)의 드레인 전압(VX)이 서로 같아짐을 알 수 있다. 따라서, 검출트랜지스터(802)에 흐르는 전류(ISENSE)는 PMOS 파워 트랜지스터 (610)에 흐르는 전류(IPMOS)의 1/N이 되며, 검출 연결 트랜지스터(812)의 드레인과 그라운드(ground) 전압 사이에 연결된 검출 출력 저항(RSENSE)(818)에 의하여 전압 신호(VSENSE)(816)로 변환되어 출력된다.
본 발명에 따른 전류 검출기(800)는 정확도를 높이기 위해서는 스위치 연결 트랜지스터(822)에 흐르는 전류가 PMOS 파워 트랜지스터(610)에 흐르는 전류에 비하여 매우 작아야 한다. 또한, 본 발명에 따른 전류 검출기(800)는 검출 연결 트랜지스터(812)에 흐르는 전류가 스위치 연결 트랜지스터(822)에 흐르는 전류와 비슷할 때에 PMOS 파워 트랜지스터 (610) 의 전류 (IPMOS)를 정밀하게 검출할 수 있다.
전력 차단 트랜지스터(804, 814 또는 824)는 VP 가 하이 신호라서 PMOS 파워 트랜지스터 (610) 에 전류가 흐르지 않을 때 전류 검출기의 전력을 차단한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 회로 시뮬레이션 신호파형이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 벅 컨버터의 회로 시뮬레이션 신호파형에서 입력 전압 (VIN) 은 3V 이고, 출력 전압 (VOUT) 은 0.6V 로 설정하였다. 상단의 인덕터 전류는 전류 검출기(800)의 제어에 의해 대략 50mA 이내로 제한되는 것을 볼 수 있으며, 하단의 출력 전압 (VOUT) 은 오버슈트 (overshoot) 가 비교적 작은 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전류 검출기를 적용하였을 때, 벅 컨버터가 제대로 동작함을 확인하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 에러 증폭기
200: 발진기
300: 비교기
400: PWM 조정기
500: 데드타임 버퍼
600: 스위칭부
710: 인덕터
720: 캐패시터
800: 전류 검출기

Claims (9)

  1. 벅 컨버터에 있어서,
    구동신호에 의해 인덕터에 전류를 공급하는 하나 이상의 스위치 트랜지스터로 구성된 스위칭부; 및
    상기 스위칭부에 미리 설정된 기준 값 이상의 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 상기 스위칭부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기를 포함하되,
    상기 전류 검출기는
    상기 스위치 트랜지스터에 흐르는 전류를 복사하기 위한 검출 트랜지스터;
    상기 스위치 트랜지스터의 드레인과 소스가 연결되는 스위치 연결 트랜지스터;
    상기 스위치 연결 트랜지스터의 게이트와 게이트가 연결되고 상기 검출 트랜지스터의 드레인과 소스가 연결되는 검출 연결 트랜지스터;
    상기 스위치 연결 트랜지스터에 전류를 공급하는 전류 소스; 및
    상기 검출 연결 트랜지스터의 드레인과 일단이 연결되고 타단이 그라운드 전압과 연결되는 검출 출력 저항을 포함하는 벅 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 적어도 하나의 스위치 트랜지스터를 포함하여, 상기 전류 검출기는 상기 스위치 트랜지스터에 흐르는 전류를 검출하는 벅 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 검출 트랜지스터에 복사되는 전류는 상기 검출 출력 저항에 의해서 전압 신호로 변환되어 출력되는 벅 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 검출 트랜지스터는 상기 스위치 트랜지스터와 서로 동일한 게이트 전압, 드레인 전압 및 소스 전압을 가지는 벅 컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 검출 트랜지스터는 채널 폭 및 채널 길이 중 적어도 하나를 조절하여 상기 스위치 트랜지스터에 흐르는 전류를 N(N은 양의 정수) : 1 의 비율로 복사하는 벅 컨버터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 검출 트랜지스터의 채널 폭이 상기 스위치 트랜지스터의 채널 폭의 1/N(N은 양의 정수)이고, 상기 검출 트랜지스터의 채널 길이는 상기 스위치 트랜지스터의 채널 길이와 같은 벅 컨버터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 검출 연결 트랜지스터는 상기 스위치 연결 트랜지스터와 동일한 채널 폭 및 동일한 채널 길이를 가지는 벅 컨버터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 소스는 상기 스위치 연결 트랜지스터에 상기 스위치 트랜지스터에 흐르는 전류보다 작은 전류가 흐르도록 하는 벅 컨버터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 검출기는
    상기 스위치 트랜지스터에 전류가 흐르지 않는 경우, 상기 전류 검출기의 전력을 차단하는 적어도 하나의 전력 차단 트랜지스터를 더 포함하는 벅 컨버터.
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